[论文解读] Fault Tolerant Control of Multirotor UAV for Piloted Outdoor Flights

Arunn Narasimhan, Coen C. de Visser+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 1, 2020

Fault Detection and Control Systems被引用 6

一句话总结

本文提出了一种用于多旋翼无人机的容错控制（FTC）架构，通过使用降阶姿态控制与基于优先级的控制分配，在完全执行器失效后仍能保持可控性。该方法采用基于伪逆的动态逆控制与顺序去饱和的倾角优先控制分配，通过仅使用机载传感器在室内和室外手动飞行中进行了验证，实验平台为Intel® Shooting Star™四旋翼无人机。

ABSTRACT

This paper aims to develop a Fault Tolerant Control (FTC) architecture, for the case of a damaged actuator for a multirotor UAV that can be applied across multirotor platforms based on their Attainable Virtual Control Set (AVCS). The research is aimed to study the AVCS and identify the parameters that limit the controllability of multirotor UAV post an actuator failure. Based on the study of controllability, the requirements for a FTC is laid out. The implemented control solution will be tested on a quadrotor, Intel Shooting Star UAV platform in indoor and outdoor flights using only the onboard sensors. The attitude control solution is implemented with reduced attitude control, and the control allocation is performed with pseudo-inverse based model inversion with sequential desaturation to ensure tilt priority. The model is identified with an offline Ordinary Least Squares routine and subsequently updated with the Recursive Least Squares method. An offline calibration routine is implemented to correct IMU offset distance from the centre of rotation to correct for accelerometer bias caused by the high-speed spin after failure in a quadrotor.

研究动机与目标

• 开发一种用于多旋翼无人机的容错控制（FTC）架构，确保在单个执行器完全失效后仍能安全飞行。
• 分析可实现虚拟控制集（AVCS），识别限制失效后可控性的物理约束，尤其在偏航方向。
• 实现一种降阶姿态控制公式，将倾角控制与偏航控制解耦，以在失效后保持稳定。
• 通过基于伪逆的逆控制与顺序去饱和方法，确保最优且可行的控制分配，优先考虑倾角控制。
• 通过估计并校正旋转中心处的IMU偏移，校准失效后高速旋转导致的加速度计偏差。

提出的方法

• 控制架构采用降阶姿态控制公式，将偏航与倾角控制解耦，实现在单个执行器失效后仍能保持稳定飞行。
• 控制分配通过基于伪逆的模型逆解实现，结合顺序去饱和策略，优先保证倾角控制，其次为推力与偏航控制。
• 动态模型通过普通最小二乘法（OLS）离线识别，随后通过递推最小二乘法（RLS）在线更新，以实现实时自适应。
• 离线校准流程用于估计并校正IMU相对于旋转中心的偏移，以减轻高速旋转期间加速度计的偏差。
• 姿态估计通过互补滤波与GPS数据融合，在松耦合扩展卡尔曼滤波（EKF）中实现，以提高倾角估计精度。
• 系统通过仅使用机载传感器与GPS，在室内悬停飞行（最长40秒）和室外手动飞行（最长1分38秒）中进行了测试。

实验结果

研究问题

• RQ1 多旋翼无人机的物理设计与控制限制如何约束其在单个执行器失效后的可实现虚拟控制集（AVCS）？
• RQ2 当一个旋翼完全失效时，何种控制分配策略能确保最优且可行的作动？尤其在倾角优先条件下。
• RQ3 是否能通过机载传感器数据有效估计并校正失效后高速旋转引起的加速度计偏差？
• RQ4 降阶姿态控制公式在执行器失效后，多大程度上能维持手动室外飞行的稳定？
• RQ5 在控制能力退化、高速旋转及室外飞行条件下，传感器融合（互补滤波与EKF）的性能表现如何？

主要发现

• AVCS分析表明，单个执行器失效后，偏航控制能力受到显著限制，因此必须与倾角控制解耦。
• 降阶姿态控制公式成功通过解耦偏航与倾角控制，实现了稳定飞行，使无人机在失效期间仍能保持姿态控制。
• 在伪逆控制分配中采用顺序去饱和策略，确保了倾角控制的优先级，即使在执行器失效的情况下也维持了可行的控制能力。
• 基于RLS的模型在线更新显著提升了实时控制精度，且离线OLS识别的模型已具备足够精度用于控制实现。
• 通过IMU偏移校准实现的加速度计偏差校正，显著提高了高速旋转期间的倾角估计精度，如图38所示的稳定中位数倾角值所证实。
• 室外手动飞行测试表明，仅使用机载传感器，无人机在长达1分38秒内保持了稳定且直观的控制，始终在惯性系中准确响应飞行员指令。